基础教程|硅基光电子的光耦合和偏振管理技术-凡亿课堂

简介
本文说明硅基光电子技术中光耦合和偏振管理所面对的技术挑战与解决方案，阐述光栅耦合器与边缘耦合器的优缺点，以及用于优化其性能的设计考虑。此外，还探讨了硅基光电子波导存在的固有偏振依赖性问题，包括无源与有源偏振管理技术在克服此难题中的应用与局限。提高光耦合效率与严格控制偏振状态是实现高性能硅基光电子器件的两大关键。未来的研发将持续实现更高度集成与通用化的硅基光电子系统。

光栅耦合器

光栅耦合器是周期性结构，可将光从波导中（平面内）传播衍射到自由空间（平面外）。平面内）衍射到自由空间（平面外），用作输入/输出元件在光纤（或自由空间）和亚微米 SOI 波导之间耦合光。图1是浅蚀刻光栅耦合器设计的横截面图。功能硅层的厚度和埋入氧化物 (BOX) 层的厚度取决于芯片类型。通常采用包层来保护功能硅层，并实现多层电气互连。

图1：光栅耦合器横截面示意图
1.挑战

与硅基光电子芯片进行光耦合的主要挑战之一是由于波导的特征尺寸小于光纤纤芯而导致的模式失配。这种不匹配需要能相应调整模场直径的组件。边缘耦合等传统方法虽然效率高，但受限于其复杂性、对准要求和较高的封装成本。

2.光栅耦合器的优势

与边缘耦合器相比，光栅耦合器具有多项优势，包括更容易对准、无需后处理从而降低了制造成本，以及可以放置在芯片上的任何位置，从而提高了设计灵活性和晶圆级自动测试的便利性。

3.设计注意事项

光栅耦合器的设计需要了解其结构和工作原理。光栅耦合器是周期性结构，可将光从波导衍射到自由空间，反之亦然。主要设计参数包括光栅周期、光栅齿宽、填充因子、蚀刻深度和衍射光角度。光栅耦合器的性能受方向性、插入损耗、穿透损耗、背向反射和带宽等因素的影响。

4.性能优化

行业内一直致力于提高光栅耦合器的效率。针对穿透损耗、模式失配和背向反射等挑战，有些采用了创新的设计修改方法，如在基板中安装反射器、对光栅进行光晕处理或啁啾处理，以及调整蚀刻深度和设计以有效管理背向反射。

5.理论和实际应用

布拉格条件等理论模型有助于理解光栅耦合器的工作原理，从而帮助设计光栅周期和理解衍射过程。实际应用包括使用二维和三维有限差分时域 (FDTD) 模拟等方法进行详细模拟和优化，以完善设计，实现最佳性能。

图2：光栅耦合器的布拉格条件图解（第 1 部分）[1]。

图3：光栅耦合器的布拉格条件图解（第 2 部分）[1]。

图4：光栅耦合器的布拉格条件图解（第 3 部分）[1]。

边缘耦合器边缘耦合器可替代光栅耦合器用于光学耦合，在要求密集集成和最小干扰的应用中具有优势。边缘耦合器将波导的宽度变细，使其与光纤的模场直径相匹配，从而以最小的损耗实现高效耦合。

图5：纳米锥形边缘耦合器示意图。光从左侧进入波导，从芯片右侧输出 [1]。

1.纳米锥体和覆盖波导

纳米锥度和覆盖波导设计通常用于优化边缘耦合器的耦合效率和带宽。这些设计旨在解决光纤和波导模式之间的模式尺寸失配和有效指数失配问题，确保高效的光耦合。

2.设计和建模

设计高效的边缘耦合器需要仔细考虑锥度设计、材料特性以及波导和光纤之间的模式重叠。这一过程通常需要进行模拟，以优化锥长、波导宽度和包层材料，从而实现高耦合效率。

图6：纳米锥形边缘耦合器的 FDTD 仿真--场剖面。纳米锥体长度为 20 µm，尖端为 180 × 220 nm，λ = 1.55 µm，准 TE 极化。

图7：纳米锥形边缘耦合器的 FDTD 仿真 - 输出端的远场投影。纳米锥体长度为 200 µm，尖端尺寸为 180 × 220 nm，λ = 1.55 µm，准 TE 极化。

3.挑战与解决方案

尽管边缘耦合器具有诸多优势，但仍面临着与精确对准、切面抛光/蚀刻、光束散光以及需要防反射涂层有关的挑战。这些挑战可通过创新设计策略和先进制造技术来解决，从而确保高效可靠的光学耦合。

光栅和边缘耦合器在硅基光电子技术中发挥着重要的作用，为应对光学耦合的挑战提供了解决方案。通过精心设计、优化和对其工作原理的理解，这些组件可以实现高效的光耦合。

偏振管理

由于硅波导固有的双折射特性，硅基光电子技术中的偏振管理是关键的重点领域。这种双折射会导致偏振相关损耗和性能变化，因此有效的偏振管理技术对于确保设备可靠性和功能性很重要。

1.硅基光电子技术中的偏振挑战

厚度为 220 纳米的波导会表现出明显的偏振依赖性，会使光路的设计和运行复杂化。理想情况下，波导对偏振不敏感，但由于高对比度波导对纳米级变化的敏感性，实现这一目标在技术和经济上都具有挑战性。另一种方法是使用较厚的硅层（约 1.5 微米）来制造对偏振不敏感的组件，Kotura 等公司在探索这种技术。

在实务上，光路通常需要在单一极化条件下运行以减轻挑战。这种必要性在集成发射器中尤为明显，在发射器中，保持光源的偏振很重要。然而，对于接收器来说，情况则更为复杂，因为穿过单模光纤的光通常会因温度和应变等环境因素而发生偏振变化，从而影响光纤的双折射。

2.偏振管理解决方案

为了有效管理偏振问题，研发人员开发了几种策略：

a.维持偏振的光纤：解决偏振变化的一种方法是使用保偏光纤，这种光纤可保持光的偏振状态。

b.偏振不敏感接收器：另一种方法是设计对偏振变化不敏感的接收器。要做到这一点，可以使用适应偏振变化的数据格式，或通过偏振分光光栅耦合器（PSGC）等硬件解决方案，将 s 偏振光和 p 偏振光分隔到不同的波导中。

图8：检测任意偏振光
c.偏振分集：在波分复用（WDM）或相干检测等更复杂的应用中，会使用偏振分集。这包括将 s 偏振光和 p 偏振光分成两个独立的波导，均为 TE 偏振，然后通过两个相同的电路进行处理。这种方法会增加芯片面积和功耗，需要精确匹配两个电路。

d.有源偏振管理：另一种策略是主动偏振控制，通过线性光学变换将波导内的任意偏振态转换为单一的 TE 偏振。需要一个带移相器的有源偏振控制器来调整偏振的相位和振幅，从而便于使用单个光子电路进行处理，通过在波导内将任意偏振态转换为单一所需的偏振态，提供了一种更加动态的解决方案。这是通过线性光学变换，使用偏振分离器-旋转器（PSR）和移相器等组件实现的。这种方法的优点是减少了电路复杂性和芯片面积，因为它不需要重复的电路。使用有源偏振控制器可以调整 s 和 p 光纤偏振之间的相位和振幅，从而更全面、更高效地处理偏振状态。

图9：极化的多样性